Триботехнические характеристики материалов пар трения и смазочных сред в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.04, доктор наук Бреки Александр Джалюльевич

• Бреки Александр Джалюльевич
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Бреки Александр Джалюльевич

Введение

1. Аналитические исследования закономерностей трения скольжения твёрдых тел в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта

1.1. О понятии «закономерность внешнего трения скольжения»

1.2. Анализ результатов исследований закономерностей внешнего трения скольжения

1.2.1. Анализ результатов исследований от Леонардо да Винчи до Шарля Кулона и вывод двучленного закона трения Кулона

1.2.2. Интерпретация двучленного закона внешнего трения скольжения Леонардо да Винчи - Амонтона - Кулона Б.В. Дерягиным

1.2.3. Интерпретация двучленного закона внешнего трения скольжения В.Д. Кузнецовым и Г.Д. Полосаткиным

1.2.4. Уточнение двучленного закона внешнего трения скольжения А.С. Ахматовым для режима граничной смазки

1.2.5. Основные закономерности процесса внешнего трения скольжения по Б.И. Костецкому

1.2.6. Анализ составляющих работы сил внешнего трения скольжения твёрдых тел, разделённых смазочным слоем

1.2.7. Закономерности процессов контактного взаимодействия трущихся тел по И.В. Крагельскому

1.2.8. Закономерности трения материалов в условиях высоких давлений по П.У. Бриджмену

1.3. Отклонения от двучленного закона трения, возникающие в экспериментах при достижении критических значений нормальной нагрузки, аппроксимируемые кусочно-линейными функциями

1.4. Закономерности изменения силы внешнего трения скольжения

от пути и времени при инвариантном комплексе условий

1.5. Экспериментальные закономерности изменения силы трения скольжения от пути и времени при переменном комплексе

условий

Выводы по первой главе

2. Составляющие физических моделей и программа экспериментальных исследований для выявления закономерностей трения и изнашивания твёрдых тел в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта

2.1. Системное представление внешнего трения твёрдых тел и

основные сведения о трущихся элементах, используемые при физическом моделировании

2.1.1. Геометрические формы элементов трибологических систем при физическом моделировании внешнего трения и изнашивания

2.1.2. Материалы трущихся элементов трибологических систем, применяемые при разработке физических моделей

2.1.3. Общие сведения о геометрии поверхностей трущихся элементов трибологических систем используемые при создании физических моделей

2.1.4. Сведения о строении поверхностных слоёв трущихся элементов трибологических систем, учитываемые при физическом моделировании внешнего трения и изнашивания

2.2. Выявление и систематизация основных трибологических параметров и характеристик при испытаниях на трение и изнашивание

2.2.1 Взаимодействие основных элементов трибологических систем в

процессе испытаний по Хорсту Чихосу

2.2.2. Основные характеристики и параметры, относящиеся к испытаниям на трение и изнашивание

2.2.3. Карта данных трибологической системы по Хорсту Чихосу

2.3. Программа экспериментальных исследований для выявления закономерностей внешнего трения скольжения и изнашивания

твёрдых тел

Выводы по второй главе

3. Математические модели для описания внешнего трения скольжения твёрдых тел при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта

3.1. Основные подходы к построению математических моделей и степень соответствия математической модели объекту исследования

3.2. Функциональные зависимости для описания трения скольжения твёрдых тел при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта

3.2.1. Дельта-функция Дирака, функция Хевисайда и логистическая функция

3.2.2. Функция прямоугольного импульса и её аппроксимация

3.2.3. Варианты аппроксимаций кусочно-постоянных функций непрерывными функциями и их производные и интегралы

3.3. Математическая модель закона трения скольжения, учитывающая смены режимов трения при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта

3.4. Математические модели динамики изменения характеристик трения и изнашивания при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта

3.4.1. Математические модели динамики изменения характеристик трения при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта

3.4.2. Математическая модель закона динамики изнашивания В.Ф. Лоренца и её обобщение

Выводы по третьей главе

4. Экспериментальное выявление закономерностей трения скольжения твёрдых тел в различных средах, обусловленных изменением состояния фрикционного контакта под действием нормальной нагрузки

4.1. Закономерности изменения силы трения с ростом нагрузки при скольжении твёрдых тел в среде смазочных масел с дисперсными частицами гидросиликата магния

4.1.1. Исследование трения скольжения стали 35 по бронзе БРАЖ9-4 в среде смазочного масла Addinol 7уН^его1 71500 с дисперсными частицами гидросиликата магния

4.1.2. Исследование трения скольжения стали 35 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла М8В с дисперсными частицами гидросиликата магния

4.1.3. Исследование трения скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла М14Г2ТС с дисперсными частицами гидросиликата магния

4.2. Закономерности изменения силы трения с ростом нагрузки при скольжения твёрдых тел в среде консистентного смазочного материала, содержащего дисперсные добавки различной природы

4.2.1. Исследование трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами графита

4.2.2. Исследование трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами дисульфида молибдена

4.2.3. Исследование трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами фуллереновой сажи

4.2.4. Исследование трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами цинка и кадмия

4.3. Закономерности изменения силы трения металлических материалов с ростом нагрузки, выявленные при оцифровке и

математической обработке экспериментальных данных

различных авторов

4.3.1. Эмпирические закономерности изменения удельной силы трения с ростом давления при скольжении твёрдых тел из магния, платины и висмута по стали в воздушной среде, выявленные по данным П.У. Бриджмена

4.3.2. Эмпирические закономерности изменения силы трения с ростом нагрузки при скольжении твёрдого тела из железа по железу в воздушной среде, выявленные по данным Б.И. Костецкого

4.3.3. Эмпирические закономерности изменения удельной силы предельного статического трения с ростом давления при трении тел из стали 12Х1, разделённых нанослоями стеариновой кислоты, выявленные по данным А.С. Ахматова

4.3.4. Эмпирические закономерности изменения удельной силы трения с ростом фактического давления при трении тел из стали по твёрдому сплаву, разделённых граничным слоем масла, выявленные по данным И. В. Крагельского

4.3.5. Эмпирические закономерности изменения удельной силы трения с ростом номинального давления при резании тел из алюминия стальным резцом в воздушной среде, выявленные по данным Г.И. Епифанова

4.4. Закономерности изменения силы трения с ростом нагрузки при скольжении нанесённых при различных температурах полиамидных покрытий по стальной поверхности в воздушной

среде

Выводы по четвёртой главе

5. Экспериментальное выявление закономерностей динамики изменения характеристик трения и изнашивания твёрдых тел в различных средах при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта

5.1. Закономерности динамики изменения характеристик трения твёрдых тел в различных жидких смазочных средах

5.1.1. Общие сведения о выбранных жидких смазочных средах

5.1.2. Сравнительный анализ основных показателей выбранных смазочных сред

5.1.3. Исследование характеристик несущей способности

смазочного слоя

5.1.4. Закономерности трения скольжения шаров из стали ШХ15 в среде различных смазочных масел

5.2. Закономерности динамики изменения характеристик трения пористых металлических материалов, пропитанных смазочным маслом с дисперсными частицами фторированного графена

5.2.1. Закономерности трения скольжения пористого материала на

основе железа, пропитанного смазочным маслом с дисперсными частицами фторированного графена

5.2.2. Закономерности трения пористого композиционного материала

на основе меди, содержащего масло с частицами графена

5.3. Закономерности терния композиционного материала с матрицей из линейного полиимида с шарнирными развязками и наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама по стальной поверхности

5.4. Закономерности сверхмедленного трения гладких стальных поверхностей

5.5. Закономерности трения скольжения тел из карбида кремния в среде воды

5.6. Применение разработанных математических моделей для описания динамики процесса изнашивания на примере

пористых газотермических покрытий

Выводы по пятой главе

6. Обобщение некоторых математических моделей, содержащих характеристики трения, и рекомендации по использованию результатов исследований

6.1. Площади контакта, контактные давления и сближение в условиях взаимодействии тел в состоянии покоя и скольжения при изменениях состояний фрикционного контакта

6.2. Температура на точках фактической площади в процессе трения при изменениях состояний фрикционного контакта

6.3. Интенсивность усталостного изнашивания в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта

6.4. Рекомендации по использованию результатов исследований в

теории и практике

Выводы по шестой главе

Заключение

Список литературы

Приложения

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Триботехнические характеристики материалов пар трения и смазочных сред в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта»

Актуальность темы исследования.

В настоящее время, в любой области промышленности при эксплуатации различных механизмов, машин и оборудования, задачи снижения энергетических потерь на трение и износ являются наиболее важными. В высоконагруженных узлах трения машин происходит самопроизвольное изменение состояния материала фрикционного контакта, приводящее к сменам механизмов трения, следствием которых являются повышение силы и коэффициента трения, интенсивности и скорости износа, схватывание, задир, резкий рост контактных температур. Для уменьшения данных явлений ведётся разработка различных технических решений, связанных с разработкой новых материалов пар трения и смазочных сред с высокими триботехническими характеристиками с использованием улучшенных пакетов присадок, дисперсных наполнителей, указанных в стратегических направлениях развития материалов и технологий до 2030 года.

Большой объем литературных источников по экспериментальному выявлению закономерностей трения скольжения твёрдых тел, показал существование трех важных взаимосвязанных проблем в науке о трении и изнашивании:

- существуют отклонения от двучленного закона трения скольжения, выражаемые в форме изгибов на линейных графиках зависимости средней силы трения от нагрузки, возникающие при изменении состояния фрикционного контакта, в связи с чем, необходима разработка новой обобщённой математической модели закона трения;

- многочисленные экспериментальные лабораторные и промышленные результаты показывают, что в зоне фрикционного контакта тел из различных материалов в смазочной среде реализуются явления, приводящие к самопроизвольному изменению силы трения скольжения от пути и времени, проявляющемуся в виде переходных процессов, в связи с чем, возникает

необходимость разработки новых математических моделей для описания закономерностей динамики фрикционного взаимодействия;

- многие закономерности трения скольжения под действием огромного числа факторов, и сложности процесса трения трудно поддаются математическому моделированию и, в ряде случаев, не имеют адекватного математического описания, что создаёт дополнительные трудности для их последующего практического использования при проектировании, изготовлении, эксплуатации, ремонте машин и приборов для снижения энергетических потерь на трение и повышения их износостойкости.

Первые две проблемы являются фундаментальными для науки о трении и изнашивании. Третья проблема относится к важнейшим прикладным проблемам трибологии. Эффективность решения третьей проблемы базируется на степени разрешения первых двух.

К сожалению, сегодня пока нет научно обоснованных теоретических и практических рекомендаций для промышленности в подборе перспективных материалов триботехнического назначения. Закономерности изменения триботехнических характеристик в процессе эксплуатации во многом противоречивы в связи с самопроизвольными изменениями состояний фрикционного контакта, обусловленными сложными физико-химическими процессами. Уменьшение возникающих при работе трибоузлов противоречий может быть достигнуто посредством разработки и верификации обобщенных математических моделей, описывающих изменение триботехнических характеристик материалов пар трения в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта.

Актуальность выбранной темы исследования также подтверждается ее выполнением в рамках:

- гранта РФФИ № 13-08-00553 и государственного задания при финансовой поддержке Минобрнауки России. Коды проектов: № 933-2014, № 1972-2014;

- гранта Российского научного фонда: "Формирование беспористых покрытий из нанокомпозиционных материалов типа «износостойкая матрица -

наночастицы дисульфида молибдена (вольфрама)», обладающих низким коэффициентом трения, методом химического осаждения из газовой фазы", № 1513-00045;

- государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема № АААА-А18-118012190023-2 "Термодинамика и кинетика структурных превращений и накопления повреждений в процессах деформирования и разрушения многокомпонентных твердых тел");

- программы Научного центра мирового уровня по направлению «Передовые цифровые технологии» СПбПУ (соглашение от 17.11.2020 № 075-152020-934).

Степень разработанности темы. Работа выполнена на основе результатов экспериментальных и теоретических исследований в области трения скольжения и изнашивания материалов с различными физическими, механическими и эксплуатационными свойствами, приведенных в работах таких отечественных и зарубежных ученых как Э.И. Адирович, В.В. Алисин, Г. Амонтон, А.С. Ахматов, А.Я. Башкарёв, В.А. Белый, Е.В. Берёзина, Д.И. Блохинцев, Ф.П. Боуден, Э.Д. Браун, П.У. Бриджмен, В.П. Булатов, Н.А. Буше, И.А. Вышнеградский, Д.Н. Гаркунов, Б.М. Гинзбург, Дж. Годдард, И.Г. Горячева, В.В. Гриб, Л. Гюмбель, Б.В. Дерягин, Н.Б. Демкин, М.Н. Добычин, Ю.Н. Дроздов, Г.И. Епифанов, А.К. Зайцев, А.Ю. Ишлинский, В.Н. Кащеев, В.Д. Кузнецов, Ш.О. Кулон, И.В. Крагельский, Ю.П. Козырев, В.С. Комбалов, П. Конти, Б.И. Костецкий, Е.Г. Котельников, Леонардо да Винчи, Д. Лесли, А.С. Лодж, В.Ф. Лоренц, В.И. Максак, Р.М. Матвеевский, М.Э. Мерчант, Н.М. Михин, В.М. Мусалимов, Н.К. Мышкин, Ф.А. Опейко, Л.И. Погодаев, А.С. Проников, Э. Рабинович, C. Рубинштейн, А.И. Свириденок, Г.Э. Свирский, Е.Б. Седакова, М.А. Скотникова, Д. Тейбор, М.М. Тененбаум, Д.М. Толстой, Г.А. Томлинсон, Х. Уилман, Ю.А. Фадин, С.В. Федоров, Х.Г. Хауэлл, Ю.Н. Цветков, А.В. Чичинадзе, С.Г. Чулкин, Р.П. Штейн, Л.Ш. Шустер, Х. Эрнст и др.

В результате исследований многих отечественных и зарубежных авторов разработано большое количество математических моделей трения скольжения,

накоплены огромные массивы экспериментальных данных в этой области, которые проходят обработку в современных программных продуктах, в том числе в Big Data. Однако проблемы моделирования трения скольжения и сопровождающего его изнашивания в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта относятся к нерешенным проблемам трибологии.

Цели и задачи работы. В связи с обозначенными проблемами общей целью работы является разработка и верификация математических моделей трения скольжения твёрдых тел в различных средах при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта, необходимых для повышения эффективности оценки триботехнических свойств материалов (включая смазочные), покрытий и модифицированных поверхностных слоев.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих основных задач:

1. Разработать обобщённую математическую модель закона трения скольжения, с учётом смены режимов трения при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта.

2. Разработать новую математическую модель динамики изменения характеристик трения скольжения, с учётом наличия переходных процессов при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта.

3. Разработать новую математическую модель закона динамики изнашивания в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта, частными случаями которой являются характерные зависимости изнашивания конкретных узлов трения.

4. Провести верификацию разработанной обобщённой математической модели закона трения скольжения твёрдых тел в различных смазочных средах, в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта. Провести анализ закономерностей трения, оцифровку и математическую обработку экспериментальных данных, полученных другими исследователями.

5. Провести верификацию разработанной новой математической модели динамики изменения характеристик трения посредством экспериментального выявления закономерностей трения скольжения в различных материалах пар трения и смазочных средах при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта.

6. Провести верификацию новой математической модели закона динамики изнашивания посредством экспериментального выявления закономерностей процесса изнашивания материалов пористых газотермических покрытий в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта.

7. Разработать и провести верификацию математической модели трения в условиях сверхмедленного скольжения.

8. Создать машину сверхмедленного трения и осуществить экспериментальное выявление закономерностей динамики изменения характеристик трения скольжения в диапазоне скоростей от 30 до 10000 нм/сек. Провести сравнение полученных результатов с триботехническими характеристиками материалов пар трения, полученных на стандартных машинах трения.

9. Обобщить большой объем экспериментально полученных триботехнических характеристик материалов пар трения и смазочных сред, а также разработанные математические модели, для расчёта площадей контакта, контактных давлений, температуры вспышки и интенсивности усталостного изнашивания в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта.

Научная новизна работы:

1. Впервые разработана обобщённая математическая модель закона трения скольжения твёрдых тел, позволяющая описать зависимость силы трения от нагрузки при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта, обусловленных сложными физико-химическими и механическими процессами.

2. Установлено, что в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта изменение силы трения в зависимости от нормальной

нагрузки имеет кусочно-линейный характер, а такие параметры фрикционного взаимодействия как дифференциальный коэффициент трения, равнодействующая сил молекулярного притяжения и молекулярная составляющая силы трения изменяются сигмоидально.

3. Разработана обобщённая формула для расчёта классического коэффициента трения в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта, позволяющая аналитически описать принципиальную схему изменения классического коэффициента трения.

4. Впервые разработана математическая модель, описывающая динамику изменения силы трения при наличии одного и более переходных процессов, обусловленных самопроизвольными изменениями состояния фрикционного контакта под воздействием определённых физико-химических процессов. Посредством данной модели можно определить интенсивность изменения силы трения, динамику изменения работы и импульса силы трения, а также интегральные средние значения данных трибологических характеристик.

5. Впервые разработана обобщённая математическая модель, описывающая все характерные участки классической кривой динамики изнашивания: участок приработки, участок нормального износа и участок предельного износа. Данная математическая модель, при различных значениях входящих в неё параметров, позволяет описать шесть типов закономерностей динамики изнашивания, конкретных узлов трения.

6. Выявлены закономерности динамики изменения силы трения при сверхмедленном движении гладких стальных поверхностей и установлено их соответствие с разработанной математической моделью динамики изменения характеристик трения. Установлено отсутствие стационарных значений силы трения, характерных для более высоких скоростей скольжения. Показано, что разработанная обобщённая математическая модель закона трения скольжения выполняется для случая трения при сверхмедленном движении.

7. Разработана новая смазочная композиция, содержащая наночастицы диселенида вольфрама (патент на изобретение RU 2586335 С1, 10.06.2016, заявка № 2014153023/04 от 25.12.2014).

Теоретическая и практическая значимость работы

Теоретическая значимость работы состоит:

1) в обобщении математических моделей, содержащих характеристики трения, для расчёта контурной и фактической площадей контакта, контактных давлений, сближения, температуры вспышки и интенсивности усталостного изнашивания с учётом самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта.

2) в возможности представления математической модели обобщённого закона трения в виде кусочно-линейной функции, позволяющей проводить анализ фрикционного взаимодействия твёрдых тел при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта;

3) в выборе функциональных зависимостей, которые хорошо аппроксимируют кусочно-постоянные и кусочно-непрерывные функции и, при этом, являются нелинейными, дифференцируемыми и непрерывными, что является необходимым условием для описания трения скольжения твёрдых тел при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта;

4) в различении классического коэффициента трения, выражающего долю силы трения от нормальной нагрузки при скольжении, и дифференциального коэффициента трения, выражающего интенсивность изменения силы трения при изменении нагрузки и их совместном использовании;

5) в использовании в разработанных обобщённых математических моделях: приращения дифференциального коэффициента трения; резкости перехода от одного режима трения к другому; критического значения нормальной силы; которые являются важными дополнительными трибологическими характеристиками, необходимыми для оценки фрикционных переходов.

Практическая значимость работы состоит:

1) в разработке новой смазочной композиции, содержащей наночастицы диселенида вольфрама (патент на изобретение RU 2586335 С1, 10.06.2016, заявка № 2014153023/04 от 25.12.2014);

2) в использовании методических разработок для создания базы данных (свидетельство о регистрации базы данных RU 2014620905, заявка № 2014620573 от 28.04.2014);

3) в разработке новых эффективных смазочных композиций, содержащих частицы фторированного графена, для пропитки подшипников скольжения из пористых материалов;

4) в разработке эффективного композиционного покрытия триботехнического назначения с матрицей из линейного полиимида с шарнирными развязками и наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама;

5) в повышении точности расчёта средних значений силы трения, средней работы и импульса трения, классического коэффициента трения;

6) в создании автором машины сверхмедленного трения, позволяющей существенно расширить диапазон варьирования скорости скольжения (от 3*10-8 м/с и выше) для выявления новых закономерностей фрикционного взаимодействия твёрдых тел из различных материалов.

7) в использовании компонентов разработанных обобщённых математических моделей для создания четырёх программных комплексов, зарегистрированных в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.

8) во внедрении научных положений и результатов работы в НПП Телар для снижения энергетических потерь на трение и износа ответственного оборудования и в ТГПУ им. Л.Н. Толстого в учебный процесс.

Методология и методы исследования. Теоретическими основами исследования являются: «формула двучленного закона трения Б.В. Дерягина», «формула двучленного закона для условий граничного трения А.С. Ахматова», «Теория внешнего трения Б.И. Костецкого» и «Молекулярно-механическая теория трения И.В. Крагельского». Методологическими основами исследования являются: «Системный анализ в трибологии Х. Чихоса», «Основы

математического анализа», «Основы математической статистики», «Основы математического и физического моделирования трения и изнашивания».

Для верификации разработанных обобщённых математических моделей трения скольжения в работе использованы как стандартизованные методы триботехнических испытаний, так и авторские методики, реализуемые с использованием специально разработанного автором оборудования для испытаний на трение и износ. В частности, для расширения диапазона скоростей скольжения, автором создана машина сверхмедленного трения МТБМ,

о

позволяющая проводить испытания при скоростях скольжения до 10" м/с и разработана соответствующая методика. В работе использованы оригинальные методы обработки результатов триботехнических испытаний, представляющие собой алгоритмы пошаговой аппроксимации экспериментальных данных.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обобщённая математическая модель закона трения скольжения твёрдых тел, позволяющая описать зависимость силы трения от нагрузки при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта, обусловленных сложными физико"химическими и механическими процессами.

2. Обобщённая формула для расчёта классического коэффициента трения в условиях самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта, позволяющая аналитически описать принципиальную схему изменения коэффициента трения.

3. Обобщённая математическая модель, описывающая динамику изменения силы трения при наличии переходных процессов, обусловленных самопроизвольными изменениями состояния фрикционного контакта под воздействием определённых физико"химических процессов.

4. Обобщённая математическая модель закона динамики изнашивания, позволяющая, при различных значениях входящих в неё параметров, описать шесть типов закономерностей динамики изнашивания конкретных узлов трения.

5. Закономерности трения скольжения твёрдых тел без смазки и в средах жидких и консистентных смазочных материалов, обусловленные изменением состояния фрикционного контакта под действием нормальной нагрузки.

6. Закономерности динамики изменения характеристик трения скольжения твёрдых тел без смазки и в средах жидких смазочных материалов при изменениях состояний фрикционного контакта.

7. Закономерности трения в условиях сверхмедленного скольжения гладких стальных поверхностей.

8. Обобщённые математические модели, содержащие характеристики трения, для расчёта площади контакта, контактных давлений, сближения, температуры вспышки и интенсивности усталостного изнашивания на случай самопроизвольных изменений состояний фрикционного контакта.

Степень достоверности и апробация результатов.

Достоверность результатов, полученных в работе, обеспечивается:

- корректным использованием известных теорий и концепций трения твёрдых тел различной природы;

- использованием современных программных продуктов для обработки экспериментальных данных;

- проведением исследований посредством поверенных технических средств, приборов и оборудования;

- подтверждением справедливости разработанных обобщённых математических моделей трения скольжения посредством экспериментальных исследований материалов различной природы.

Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на следующих российских и международных конференциях: VI Международная конференция "Деформация и разрушение материалов и наноматериалов" Москва, 10-13 ноября 2015 г; Dedicated to 50-th anniversary year of tribology - proceedings of 8-th international scientific conference, BALTTRIB 2015, Kaunas, 26-27 ноября 2015; Международная научно-техническая и научно-методическая конференция «Современные технологии в науке и образовании - СТНО-2016», Рязань, 02-04

марта 2016 г; VI Всероссийская конференция по наноматериалам с элементами научной школы для молодежи НАНО. Москва, 22-25 ноября 2016 г.; IOP conference series: materials science and engineering. 3rd international conference on innovative materials, structures and technologies, IMST 2017, Riga, 27-29 сентября 2017 г.; VII Международная конференция "Деформация и разрушение материалов и наноматериалов" Москва, 07-10 ноября 2017 г; Алгебра, теория чисел и дискретная геометрия: современные проблемы и приложения: XV Международная конференция, посвященная столетию со дня рождения профессора Николая Михайловича Коробова. Тула, 28-31 мая 2018 г; IOP conference series: earth and environmental science. International Scientific Conference on Efficient Waste Treatment 2018, EWT 2018. St. Petersburg, 13-14 декабря 2018 г; Materials today: Proceedings 2019 International Scientific Conference on Materials Science: Composites, Alloys and Materials Chemistry, MS-CAMC 2019. Amsterdam. Saint Petersburg, 20-21 ноября 2019 г; Алгебра, теория чисел и дискретная геометрия: современные проблемы, приложения и проблемы истории: XVII Международная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора Н. И. Фельдмана и 90-летию со дня рождения профессоров А. И. Виноградова, А. В. Малышева и Б. Ф. Скубенко. Тула, 23-28 сентября 2019 г; Актуальные проблемы морской энергетики: девятая Международная научно-техническая конференция. Санкт-Петербург, 20-21 февраля 2020 года; AIP conference proceedings. "Proceedings International Conference "Problems of Applied Mechanics"". Bryansk, 01-03 декабря 2020 г.; Третий международный научно-технический семинар "Моделирование синтеза и деструкции перспективных материалов". Минск, 15-16 октября 2020 г.

Публикации по теме диссертации и личный вклад автора. По материалам диссертации опубликовано 79 работ, из них 47 работ в журналах и изданиях, включенных в Перечень ВАК, и 20 - в одну из баз данных и систем цитирования Web Of Science и/или Scopus, 6 монографий, 6 объектов интеллектуальной собственности.

Выносимые на защиту положения, результаты экспериментов и их анализ принадлежат лично автору или получены при его определяющем участии. Все представленные в диссертации новые математические модели, разработаны лично автором.

Соответствие паспорту научной специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.02.04 - «Трение и износ в машинах» в части пунктов:

п.7. Триботехнические свойства материалов, покрытий и модифицированных поверхностных слоев.

п.8. Триботехнические свойства смазочных материалов.

п.10. Физическое и математическое моделирование трения и изнашивания.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Диссертация общим объемом 378 страниц, содержит 173 рисунка и 14 таблиц. Список литературы включает 426 наименований.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах [25-74, 214-218, 256-259, 277, 356-374].

В первой главе работы приведены результаты аналитических исследований закономерностей внешнего трения скольжения твёрдых тел, позволившие определить основные проблемы при изучении данного явления в различных средах при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта, сформулировать общую цель и основные задачи, решение которых необходимо для её достижения. Реализован вывод двучленного закона трения Ш.О. Кулона, осуществлённый в соответствии с данными его оригинальной работы, позволивший установить, что данный закон можно выразить с помощью формулы, полученной академиком Б.В. Дерягиным из других соображений.

Во второй главе работы рассмотрено системное представление внешнего трения в соответствии с концепцией Хорста Чихоса и приведены составляющие физических моделей, анализ которых позволил разработать программу экспериментальных исследований для выявления закономерностей трения и изнашивания твёрдых тел.

В третьей главе приведены разработанные автором математические модели для описания внешнего трения скольжения твёрдых тел при самопроизвольных изменениях состояний фрикционного контакта, базирующиеся на результатах различных авторов и подлежащие экспериментальной проверке.

В четвёртой главе приведены сведения об экспериментальных закономерностях трения скольжения твёрдых тел в различных средах, обусловленных изменением состояния фрикционного контакта под действием нормальной нагрузки, подтверждающие справедливость обобщённого закона внешнего трения скольжения.

В пятой главе приведены сведения об экспериментально выявленных закономерностях трения скольжения и изнашивания твёрдых тел в различных средах при изменениях состояний фрикционного контакта, подтверждающие справедливость разработанных автором математических моделей, описывающих динамику изменения силы трения при наличии одного и более переходных процессов. В результате выявления закономерностей сверхмедленного трения гладких стальных поверхностей плиток Иогансона установлено, что характер изменения средней силы трения во времени при разных нагрузках сложен и неоднозначен, при этом сила трения не принимает стационарных значений. С другой стороны, при использовании полученных результатов, был построен график зависимости суммарной средней силы трения от нормальной нагрузки, удовлетворяющий уточнённому закону трения. Таким образом, для случая сверхмедленного трения уточнённый закон трения соблюдается даже с учётом сложности динамики изменения силы трения.

В шестой главе приведены уточнённые математические модели, содержащие характеристики трения, для расчёта контурной и фактической площадей контакта, контактных давлений, сближения, температуры вспышки и интенсивности усталостного изнашивания, и предложены рекомендации по использованию полученных результатов в научных исследованиях, инженерной и педагогической практике.

1. Аналитические исследования закономерностей трения скольжения твёрдых тел в условиях самопроизвольных изменений состояний

фрикционного контакта

1.1. О понятии «закономерность внешнего трения скольжения»

Согласно общеизвестному приведённому в ГОСТ 23.002-78 и ГОСТ 2767488 определению [95, 96]: «внешнее трение» - это явление сопротивления относительному перемещению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии.

Соответственно из приведённого определения следует, что «внешнее трение скольжения» - это явление сопротивления относительному скольжению, возникающее между двумя телами в зонах соприкосновения поверхностей по касательным к ним, сопровождаемое диссипацией энергии1.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Бреки Александр Джалюльевич, 2022 год

// // /

// / / У

// -0% --0,5%

О 300 600 900 1200 1500 Нормальная сила (Н)

„и

100 80

в 60 Са

н в а

<и

с

Н

40 20 О

Ь

___ —--

/ /

t / ^

«««« 0% •-• •-• 0,5%

48 96 144 192 240 Время (мин)

Рис.4.9. Графики зависимости силы трения от нормальной нагрузки (а) и температуры смазочного материала от времени испытания (Ь)

Из рис.4.9а видно, что с прикладной точки зрения представляет интерес диапазон нормальной силы {300; 1000}. Из рис.4.9£ видно, что при

использовании дисперсной добавки, вначале рост температуры интенсифицируется, а затем скорость роста температуры (йТ/й!) становится постоянной и меньшей по величине относительно базового масла. Резкий рост температуры обусловлен, вероятно, совершением работы разрушения частиц размером 20мкм на более мелкие частицы.

Среднее значение силы трения на диапазоне нормальной силы {300; 1000}, при использовании базового смазочного масла М8В, равно:

С 0 0. 1 /у + 1п( 1 + ехр( 0 . 5 (/у - 3 00) ))] ^ = --Ш-^-« 114Н.

Среднее значение силы трения на диапазоне нормальной силы {300; 1000}, при использовании смазочной композиции М8В + 0.5% Mg6[Si4O10](OH)8, равно:

С 0 [0. 1 ъ + (°шт) 1 п( 1 + ехр( 0 . 5 (/у-30 0) ))] ^ ^

РГау 700

При анализе смазочного действия смазочной композиции следует отметить следующее:

1. До нагрузки 300Н сила трения при использовании базового масла и смазочной композиции одинакова. Это может быть обусловлено тем, что совершение работы по разрушению (диспергированию) частиц гидросиликата магния компенсируется уменьшением работы силы трения, поскольку частицы, закреплённые между микронеровностями, образуют новый неустойчивый рельеф.

2. Снижению трения при использовании гидросиликата магния способствуют процессы, обусловленные его физико-механическими характеристиками и химическими свойствами. Ниже, на рис.4.10а, приведена схематическая модель механизма образования локальных плёнок при соответствующих термомеханических условиях. На рис.4.10Ь приведена характерная микрофотография стекловидной локальной плёнки на поверхности после фрикционного взаимодействия [28].

Рис. 4.10. Механизм образования кварцевых стекловидных тел (пленок) в серпентините [28]: а - схема; Ь - микрофотография (х1000)

В скобках на рисунке приведены вероятные составы локальных стекловидных плёнок на поверхностях трения, которые занимают долю площади фактического контакта и дают меньшее сопротивление сдвигу по сравнению со сталями и их окислами.

3. Учитывая постоянное наличие температурных вспышек, на площади фактического контакта возникают очень высокие температуры. Синтетическая аморфная двуокись кремния, начиная с 1150°С спекается, затем остекловывается, образуя при 1400 - 1450 °С расплав повышенной плотности, который при дальнейшем повышении температуры дает расплав обычной плотности, непосредственно или через фазу а-кристобалита. Расплавы метасиликата магния и форстерита образуются при аналогичных температурах [28].

4. Происходит реализация сразу двух принципов действия порошков, описанных выше, поскольку имеет место как образование локальных сервовитных плёнок, так и выравнивание поверхностей, о чём свидетельствует увеличение молекулярной составляющей силы трения.

На основе проведённого исследования трения скольжения стали 35 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла М8В с дисперсными частицами гидросиликата магния можно сделать следующие выводы:

1. Закономерности изменения характеристик трения стали 35 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла М8В с дисперсными частицами гидросиликата магния имеют квази-кусочно-линейный и сигмоидальный характер.

2. Установлена справедливость обобщённого закона Леонардо да Винчи -Амонтона - Кулона, в котором учитывается изменение условий фрикционного взаимодействия, для трения скольжения стали 35 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла М8В с дисперсными частицами гидросиликата магния.

3. Среднее значение силы трения на диапазоне нормальной силы {300; 1000} при добавлении в смазочное масло 0,5% дисперсной добавки уменьшается на 13,2%, а дифференциальный коэффициент трения - на 18%, что говорит об относительно небольшом антифрикционном эффекте смазочной композиции в жёстких условиях нагружения для данной пары трения.

4. Полученные экспериментальные данные подтверждают образование вторичных структур, при трении образцов в среде смазочного масла М8В, восстанавливающих и выглаживающих поверхности трения.

4.1.3. Исследование трения скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла М14Г2ТС с дисперсными частицами гидросиликата магния

В качестве основы для создания смазочной композиции с высокодисперсными частицами гидросиликата магния использовали базовое смазочное масло марки М14Г2ТС. Оно предназначено для смазывания главных и вспомогательных тронковых дизелей судов морского транспортного, промыслового и речного флотов, а также может использоваться для ряда судовых механизмов и агрегатов. Основные физико-технические характеристики М14Г2ТС приведены в таблице 4.2.

В качестве дисперсной добавки использовали гидросиликат магния -серпентин Mg6[Si4O10](OH)8, относящийся к группе восстановителей, которые активируются при высоких температурах в зоне трения. Размер дисперсных

частиц добавок в порошках составлял 10мкм и 20мкм. Концентрация добавки в смазочном масле составляла 1% по массе.

Таблица 4.2. Основные технические характеристики масла М14Г2ТС

Характеристика Значение

Кинематическая вязкость при ЮО^С. мм2/с 13.0-15.0

Индекс вязкости, не менее 92

Температура вспышки в открытом тигле. °С. не ниже 215

Температура застывания. СС. не выше -10

Массовая доля механических примесей, %. не более 0.01

Щелочное число, мг КОН/г, не менее 9.0

Зольность сульфатная. %. не выше 1.5

Плотность при 20^С. г/см3 0.910

Для реализации исследования трения образцов из сталей в среде смазочного масла М14Г2ТС и композиции на его основе, в условиях скольжения по круговой траектории по схеме «колодка - ролик» была использована универсальная машина трения модели ИИ 5018.

Подвижные образцы для испытаний изготавливались из стали Р6АМ5 в виде цилиндров 050х10мм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности не менее Яа=1,6мкм. Неподвижные образцы (колодки) изготавливались путем нарезки колец из стали 3 065/50х10мм с чистотой контактной поверхности не менее Я2=20мкм, с последующей разрезкой на сегменты (1/8 окружности), прилегающие при испытаниях к наружной поверхности подвижного образца.

Трущиеся образцы предварительно приводились в контактное взаимодействие. Смазывание трибосистемы в процессе трения реализовывалось за счёт окунания подвижного образца в ёмкость со смазочным материалом. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реализовывалось с нормальной силой от 0 до 1000Н при ступенчатом приложении

нагрузки. Частота вращения подвижного образца составляла п = 300мин-1. Время одного полного испытания составляло 240 минут.

Графики зависимости силы и дифференциального коэффициента трения от нормальной силы, при трении скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла марки М14Г2ТС без дисперсных частиц, показаны на рис.4.11.

Рис.4.11. Графики зависимости силы (а) и дифференциального коэффициента трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде базового смазочного масла М14Г2ТС

Представленная на рис.4.11а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

/ДЩ = 0.079/у + 1п(1 + ехр(0.05(Ду - 500))). (4 27)

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.11Ь):

/„(Щ = ^ = 0.079 +-^--. (428)

у ' ^ 1 + ехр(- 0 . 0 5 (^ - 5 0 0) )

Из полученных данных видно (рис.4.11), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 500) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона (по Б.В. Дерягину):

^ = 0. 079 ■ + 0) , (4.29)

а начиная с нагрузки 500Н и далее, реализуется интенсификация трения и имеет место следующая зависимость:

/у = 0. 729 ■ - 5 00) + 39. 5. (4.30)

Равнодействующая сил молекулярного притяжения при новом режиме трения в базовом масле М14Г2ТС составила 54Н.

Графики зависимости силы и дифференциального коэффициента трения от нормальной силы, при трении скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла марки М14Г2ТС + 1% (10мкм) Mg6[Si4O1o](OH)8, показаны на рис.4.12.

Рис.4.12. Графики зависимости силы (а) и дифференциального коэффициента трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде М14Г2ТС + 1% (10мкм) Mg6[Si4O1o](OH)8

Представленная на рис.4.12а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

( 0 . О 5 9 \ , , .. (4 31)

^ (Щ = 0. 079^ + 1п( 1 + ехр( 0 . 5 (^ - 3 0 0) )). ( )

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.12£):

/„ (Щ = ^ = 0.0 79 +-^--. (4 32)

мJ сН^ 1 + ехр(-0. 5 - 3 0 0))

Из полученных данных видно (рис.4.12а), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 300) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона (по Б.В. Дерягину):

^ = 0. 079 ■ (^ + 0) , (4.33)

а начиная с нагрузки 300Н и далее, имеет место следующая зависимость:

/у = 0 . 1 3 8 ■ (/у - 3 О О ) + 2 3 . 7. (4.34)

Равнодействующая сил молекулярного притяжения при новом режиме трения в среде масла М14Г2ТС с частицами гидросиликата магния размером 10мкм равна 172Н.

Графики зависимости силы и дифференциального коэффициента трения от нормальной силы, при трении скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла марки М14Г2ТС + 1% (20мкм) Mg6[Si4O1o](OH)8, показаны на рис.4.13.

Рис.4.13. Графики зависимости силы (а) и дифференциального коэффициента трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде М14Г2ТС + 1% (20мкм) Mg6[Si4O1o](OH)8

Представленная на рис.4.13а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

( 0 . О 5 9 \ , , .. (4 35)

/у(/у) = 0. 072/у + 1п( 1 + ехр( 0 . 5 (/у - 3 0 0) )). ( )

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.13£):

/„ (/у) = ^ = 0.0 72 +-^--. (4 36)

у J сН^ 1 + ехр(-0. 5 - 3 0 0))

Из полученных данных видно (рис.4.13а), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 300) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона (по Б.В. Дерягину):

/у = 0. 072 ■ (/у + 0) , (4.37)

а начиная с нагрузки 300Н и далее, имеет место следующая зависимость:

/у = 0.131 ■ - 300) + 21.6. (4.38)

Равнодействующая сил молекулярного притяжения при новом режиме трения в среде масла М14Г2ТС с частицами гидросиликата магния размером 20мкм равна 165Н.

На рис.4.14 для сравнения и анализа приведены графики зависимости средней силы трения от нормальной нагрузки и гистограмма значений дифференциального коэффициента трения на диапазоне нагрузки от 500 до 1000Н для исследуемых смазочных материалов.

О 300 600 900 1200 1500 Нормальная сила (Н)

Рис.4.14. Графики зависимости силы трения от нормальной нагрузки (а) и гистограмма дифференциального коэффициента трения на диапазоне {500; 1000} (b)

Из рис.4.14а видно, что на диапазоне нормальной силы {500; 1000} исследуемые смазочные композиции превосходят базовое масло по антифрикционным свойствам. Из рис.4.14£ видно, что при трении в среде смазочного масла М14Г2ТС размеры частиц в диапазоне от 10 до 20 мкм дают близкие результаты.

При анализе смазочного действия смазочных композиций следует отметить следующее:

1. До нагрузки 300Н сила трения при использовании базового масла и смазочной композиции с частицами Mg6[Si4O10](OH)8 размером 10мкм одинакова. Это может быть обусловлено тем, что совершение работы по разрушению

(диспергированию) частиц гидросиликата магния 10мкм компенсируется уменьшением работы силы трения, поскольку частицы, закреплённые между микронеровностями, образуют новый неустойчивый рельеф. Неустойчивый рельеф образуют и частицы размером 20мкм, однако они снижают коэффициент трения на 9% относительно базового масла, что может быть связано с особенностями взаимодействия данных частиц с пакетом присадок М14Г2ТС.

2. При повышенных температурах кристаллическими продуктами разложения серпентинита являются форстерит, метасиликат магния и кремнезём (табл.4.3).

Таблица 4.3. Продукты термического разложения гидросиликата магния М^6[8цО10](ОН)8 [214]

Продукт термического разложения Твердость Прочность Плотность г/см3 Вид

Форстерит 7 хрупкий 3,275 Излом раковистый, сплошные зернистые агрегаты

Метасиликат магния 5-6 хрупкий 3,28 Плотные листовые или зернистые агрегаты

Кремнезем 7 Высокая прочность 2,65 Мелкие зерна скрытоволокнистых и иногда сферических образований (рже таблитчатого и пластинчатого облика)

Вероятность возникновения остекленных тел в серпентините высокая, так как при больших температурах частицы серпентинита охрупчиваются и не способны к внедрению SiО2 (Mg2SiO4, MgSiOз) внутрь частицы.

З.Схематично формирование вторичных структур на поверхностных слоях в зоне фрикционного контакта показано на рис.4.15 [214].

4 5 3

Рис. 4.15. Схема формирования вторичных структур: 1-Сопряженные поверхности трения; 2- разрушающаяся и участвующая в образовании вторичных структур частица Mg6[Si4O10](OH)8; 3-Смазочный материал

(М14Г2ТС); 4- Mg6[Si4Olo](OH)8; 5-Спеченый кварц (форстерит,

метасиликат магния)

Частицы Mg6[Si4O10](OH)8, разрушаясь в области низких температур, заполняют впадины, не меняя своего химического состава, а в области высоких температур образуют локальные стекловидные плёнки на ювенильных поверхностях. При этом на образование данных плёнок уходит часть материала частицы. В результате рассматриваемых процессов плёнки из Mg6[Si4O10](OH)8 и продуктов его разложения занимают долю площади фактического контакта и дают меньшее сопротивление сдвигу по сравнению со сталями и их окислами.

4. В процессе трения имеет место как образование локальных сервовитных плёнок, так и выравнивание поверхностей, о чём свидетельствует увеличение молекулярной составляющей силы трения при использовании смазочных композиций с разными размерами частиц относительно базового смазочного масла.

На основе проведённого исследования трения скольжения стали З по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла М14Г2ТС с дисперсными частицами гидросиликата магния можно сделать следующие выводы:

1. Закономерности изменения характеристик трения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде масла М14Г2ТС с дисперсными частицами гидросиликата магния имеют квази-кусочно-линейный и сигмоидальный характер.

2. Установлена справедливость обобщённого закона Леонардо да Винчи -Амонтона - Кулона, в котором учитывается изменение условий фрикционного взаимодействия, для трения скольжения стали 3 по стали Р6АМ5 в среде смазочного масла М14Г2ТС с дисперсными частицами гидросиликата магния размером 10 и 20мкм.

3. Дифференциальный коэффициент трения на диапазоне нормальной силы {500; 1000} при добавлении в смазочное масло 1% дисперсной добавки с частицами размером 10мкм уменьшается в 5,3 раза, а при добавлении частиц размером 20мкм - в 5,6 раза, что говорит о существенном антифрикционном эффекте в жёстких условиях нагружения для данной пары трения.

4. Полученные экспериментальные данные подтверждают образование вторичных структур, восстанавливающих и выглаживающих поверхности при трении в среде смазочного масла М14Г2ТС, о чём говорит существенное увеличение равнодействующей сил молекулярного притяжения.

4.2. Закономерности изменения силы трения с ростом нагрузки при скольжении твёрдых тел в среде консистентного смазочного материала, содержащего дисперсные добавки различной природы

Известно [318], что на протяжении длительного времени проводятся исследования с целью повышения качества пластичных смазочных материалов за счёт [216] введения в них дополнительных порошкообразных добавок. Пластичные смазочные материалы имеют следующие особенности [300]:

1) при невысоких нагрузках и обычных температурах они проявляют свойства твёрдых тел [216];

2) при достижении критического уровня внешнего температурно-силового воздействия (предела прочности) они начинают пластически деформироваться и проявляют жидкотекучесть [216].

3) после снятия нагрузки пластичные смазочные материалы через некоторый период времени восстанавливают свои свойства, характерные для твердых тел [216].

Одной из наиболее распространённых порошкообразных добавок для пластичных смазочных материалов является графит. Его введение в пластичный смазочный материал не убирает описанные выше особенности, но влияет на антифрикционные свойства и несущую способность смазочного слоя [300]. Пластичные смазочные материалы с дисперсным графитом хорошо изучены и используются в промышленности, однако также существуют не решённые вопросы в области фундаментальных исследований.

4.2.1. Исследование трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде

смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами графита

В качестве основы для создания смазочной композиции с дисперсными частицами графита использовали пластичный смазочный материал Литол-24. Данный смазочный материал имеет широкую область применения: автомобилестроение; электротехника; ремонт и обслуживание подвижного железнодорожного состава; обслуживание станков и механизмов; водный и воздушный транспорт. Основные технические характеристики Литол-24 приведены в таблице 4.4.

В качестве дисперсной добавки использовали графит искусственный измельченный, марки ГИИ-А (ТУ 1916-109-71-2009). Данный порошкообразный материал используется при производстве углепластиков, для повышения термостойкости смазочных материалов, а также добавляется в антипригарные смеси для форм в литейном производстве. Плотность порошковой массы - не

менее 0,85 г/см3. Гранулометрический состав: зерно размером 0,1мм. Концентрация добавки в смазочном материале Литол-24 составляла 10% по массе.

Таблица 4.4. Основные технические характеристики Литол-24

Характеристика Показатель

Стабильность выделяемого масла 12 %

Испаряемость 6 % при температуре -120°С

Температура капле паления. °С,. не ниже -180

Плотность «Дитола 24» при температуре — 15^С 892 г/см3

Пешетрация при -25^С с перемешиванием. ММ"1 220-260

Вязкость при -20^С и среднем градиенте скорости деформации 10 с-, не более 650 Па с

Вязкость при О^С и среднем градиенте скорости деформации 10 с-1. не более 280 Па-с

Вязкость при ~50*С и среднем градиенте скорости деформации 100 с1, не более 8 Па с

Предел прочности при -20^С 500-1000 Па (5-10 гс/см2)

Предел прочности при — 80^С более 200 Па (2 гс/см2)

Смазывающие свойства на четырехшариковой машине при-20±5^С. не менее:

Нагрузка сваривания (Р^). Шкгс) 1410 (141)

Критическая нагрузка (PJ. Н^кгс) 630 (63)

Индекс задира (Из), кгс 28

Для реализации исследования трения образцов из сталей в среде смазочного материала Литол-24 и композиции с графитом на его основе, в условиях скольжения по круговой траектории по схеме «ролик - ролик» была использована универсальная машина трения модели ИИ 5018.

Подвижные образцы для испытаний изготавливались из стали Р6М5 в виде цилиндров 050х10мм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности не менее Яа=1,6мкм. Неподвижные образцы для испытаний изготавливались из

стали 45 в виде цилиндров 05Ох1Омм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности также не менее Ra=1,6мкм.

Трущиеся образцы предварительно приводились в контактное взаимодействие. Смазывание трибосистемы реализовывалось равномерным нанесением слоя пластичного смазочного материала толщиной 3мм на подвижный образец. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реализовывалось с нормальной силой от 0 до 700Н. Частота вращения подвижного образца составляла п = 1500мин-1. Время одного полного испытания при фиксированной нагрузке составляло 180с.

Графики зависимости силы и дифференциального коэффициента трения от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24, показаны на рис.4.16.

Рис.4.16. Графики зависимости силы (а) и дифференциального коэффициента трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24

Представленная на рис.4.16а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

Д/ (Ду) = 0. 1 2 Ду + 0 . 3 + 1п( 1 + ехр( 0 . 5 (Ду - 3 90) )). (4 39)

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.16£):

(Щ = ^ = 0 . 1 2 +---. (4.4°)

^ 1+ехр( - 0 . 5 (^ - 390) )

Из полученных данных видно (рис.4.16), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 390) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона -Кулона (по Б.В. Дерягину):

/у = 0.12 ■ + 2.5), (4.41)

а начиная с нагрузки 390Н и далее, реализуется интенсификация трения и имеет место следующая зависимость:

^ = 0.46 ■ - 390) + 47.1. (4.42)

Молекулярная составляющая силы трения при новом режиме трения в среде пластичного смазочного материала Литол-24 составила 47.1Н.

Графики зависимости силы и дифференциального коэффициента трения от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24+10%Графит, показаны на рис.4.17.

Рис.4.17. Графики зависимости силы (а) и дифференциального коэффициента трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-

24+10%Графит

Представленная на рис.4.17а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

/у(Щ = 0.16/у + 0.4 + 1п(1 + ехр(0.5(Ду - 540))). (4 43)

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.17£):

/ = ^ = 0.16 +---т.

'ик 1 + ехр(-0.5(%-540)}

Из полученных данных видно (рис.4.17а), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 540) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона -Кулона (по Б.В. Дерягину):

/у = 0.16 ■ (^ + 2.5), (4.45)

а начиная с нагрузки 540Н и далее, имеет место следующая зависимость:

/у = 0.86 ■ (^ - 540) + 86.8. (4.46)

Молекулярная составляющая силы трения при новом режиме трения в среде пластичного смазочного материала Литол-24+10%Графит составила 86.8Н.

На рис.4.18 для сравнения и анализа приведены графики зависимости средней силы трения от нормальной нагрузки для исследуемых смазочных материалов.

0.7

(4.44)

Нормальная сила

Рис.4.18. Графики зависимости силы трения от нормальной нагрузки для смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Графит

Из рис.4.18 видно, что на диапазоне нормальной силы (442; 614) исследуемая смазочная композиция Литол-24+10%Графит даёт антифрикционный эффект относительно чистого Литол-24, что связано с увеличением критической нагрузки при использовании графита.

При анализе смазочного действия смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Графит следует отметить следующее:

1. До нагрузки 390Н сила трения при использовании смазочной композиции Литол-24+10%Графит больше чем при использовании Литол-24. Это можно объяснить увеличением вязкости смазочного материала при добавлении частиц графита, которое не компенсируется антифрикционным действием данных частиц. Зависимость эффективной вязкости пластичного смазочного материала от средней скорости деформации сдвига в широких пределах изменения последней описывается уравнением [240]:

11Б = 11 «, + / (4.47)

где Дд — эффективная вязкость пластичного смазочного материала при данной средней скорости деформации сдвига; вязкость пластичного смазочного

материала при высокой средней скорости деформации сдвига, когда он является почти ньютоновской жидкостью; Б — средняя скорость деформации сдвига; константы.

В работе [27] показано, что вязкость смазочного масла, являющегося ньютоновской жидкостью, с дисперсными добавками описывается обобщённым уравнением А. Эйнштейна:

Дсо (< ) = Дсо ( 1 + а/. < ) , (4.48)

где вязкость ньютоновской жидкости с дисперсными частицами;

вязкость ньютоновской жидкости без частиц; коэффициент, учитывающий форму и взаимодействие частиц; < — объёмная доля дисперсных частиц.

С учётом (4.48) уравнение (4.47) можно переписать в следующем виде:

ДБ ( <) = Дсо( 1 + а/. < ) + / 1 ( <) .Я*2^. (4.49)

Полученное уравнение (4.49) объясняет приращение силы трения за счёт увеличения вязкости смазочной среды. Вместе с тем, вероятно, коэффициенты могут увеличиваться, уменьшаться или оставаться неизменными в зависимости от особенностей взаимодействия частиц со средой. В данном исследовании общее изменение всех параметров (4.49) приводит к увеличению вязкости и, соответственно, силы трения.

2. В случае использования смазочного материала Литол-24 повышение нормальной нагрузки приводит к уменьшению толщины смазочного слоя, что в конечном итоге приводит к смене режима смешанного трения «граничных и смазочных слоёв» на режим трения «граничных слоёв, окисных плёнок и ювенильных поверхностей». В случае использования смазочного материала Литол-24+10%Графит повышение нормальной нагрузки также приводит к уменьшению толщины смазочного слоя, но дисперсные частицы графита дискретно экранируют поверхности трения и нагрузка перехода ко второму режиму в связи с этим увеличивается. Соответственно добавка дисперсного графита повышает несущую способность смазочного слоя.

На основе проведённого исследования можно сделать следующие выводы:

1. Закономерности изменения характеристик трения стали Р6М5 по стали 45 в среде пластичных смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Графит имеют квази-кусочно-линейный и сигмоидальный характер.

2. Установлена справедливость обобщённого закона Леонардо да Винчи -Амонтона - Кулона, в котором учитывается изменение условий фрикционного взаимодействия, для трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде пластичных смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Графит.

3. Предложена математическая модель вязкости пластичных смазочных материалов с дисперсными добавками, позволяющая объяснять изменения силы трения с использованием реологических параметров.

4. При добавлении дисперсных частиц графита в пластичный смазочный материал Литол-24 критическая нагрузка увеличивается на 28%, что говорит об увеличении несущей способности смазочного слоя.

5. В процессе трения частицы графита не оказали существенного влияния на увеличение площади фактического контакта (выравнивание поверхности), о чём свидетельствует близкие значения равнодействующих сил молекулярного притяжения при использовании пластичных смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Графит.

4.2.2. Исследование трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами

дисульфида молибдена

Одной из наиболее распространённых порошкообразных добавок для пластичных смазочных материалов является, наряду с графитом, дисульфид молибдена. Его введение в пластичный смазочный материал влияет на антифрикционные свойства и несущую способность смазочного слоя [300, 318]. Пластичные смазочные материалы с дисперсным дисульфидом молибдена хорошо изучены и используются в промышленности, однако также существуют не решённые вопросы в области фундаментальных исследований.

В качестве основы для создания смазочной композиции с дисперсными частицами дисульфида молибдена использовали пластичный смазочный материал Литол-24. В качестве дисперсной добавки использовали дисульфид молибдена марки ДМ-1 (ТУ 48-19-133-90). Средний размер частиц составлял 7мкм. Концентрация дисульфида молибдена в смазочном материале Литол-24 составляла 10% по массе.

Для реализации исследования трения образцов из сталей в среде смазочного материала Литол-24 и композиции с дисульфидом молибдена на его основе, в условиях скольжения по круговой траектории по схеме «ролик - ролик» была использована универсальная машина трения модели ИИ 5018.

Подвижные образцы для испытаний изготавливались из стали Р6М5 в виде цилиндров 050х10мм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности не менее Яа=1,6мкм. Неподвижные образцы для испытаний изготавливались из стали 45 в виде цилиндров 050х10мм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности также не менее Ra=1,6мкм.

Трущиеся образцы предварительно приводились в контактное взаимодействие. Смазывание трибосистемы реализовывалось равномерным нанесением слоя пластичного смазочного материала толщиной 3мм на подвижный образец. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного

образцов реализовывалось с нормальной силой от 0 до 800Н. Частота вращения подвижного образца составляла п = 1500мин-1. Время одного полного испытания при фиксированной нагрузке составляло 180с.

Графики зависимости силы и коэффициентов трения от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24, показаны на рис.4.19.

Рис.4.19. Графики зависимости силы (а) и коэффициентов трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде

смазочного материала Литол-24

Представленная на рис.4.19а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

= 0.12^ + 0.3 + (034) 1п(1 + ехр(0.5(Ду - 390))). (450)

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.19Ь):

/„=^ = 0.12+- 034

(4.51)

^ ' 1+ехр(-0.5(%-390))'

а коэффициент трения Леонардо да Винчи - Амонтона равен:

0.3 ( 0.34 \ , (4 52)

/хл = 0.12 + — + 1п(1 + ехр(0.5(Ду - 390))). ( . )

Из полученных данных видно (рис.4.19), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 390) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона -Кулона (по Б.В. Дерягину):

// = 0.12 ■ + 2.5), (4.53)

а начиная с нагрузки 390Н и далее, реализуется интенсификация трения и имеет место следующая зависимость:

// = 0.46 ■ (^ - 390) + 47.1. (4.54)

Молекулярная составляющая силы трения при новом режиме трения в среде пластичного смазочного материала Литол-24 составила 47.1Н.

Графики зависимости силы и коэффициентов трения от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24+10°%Мо82, показаны на рис.4.20.

180

« 144

а 108

«

72

36

<и а

и

О

а

Я "

г /

/

/ /

0 200 400 600 800 10ОО

Нормальная сила

Рис.4.20. Графики зависимости силы (а) и коэффициентов трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24+10°%Мо82

Представленная на рис.4.20а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

//(Щ = 0.2^ + 0.5 + (034) 1п(1 + ехр(0.5(^ - 625))). (4 55)

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.20£):

/„= ^ = 0.2 +---. (456)

'и сН^ 1+ехр( - 0 . 5 (^ - 62 5) )

а коэффициент трения Леонардо да Винчи - Амонтона равен:

0 . 5 ( 0 . 3 4 \ , „ (4 57)

/хл = 0 . 2 + -р- + (^Трг)1 п( 1 + ехр( 0 . 5 (^ - 62 5) )). ( )

Из полученных данных видно (рис.4.20а), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 625) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона -Кулона (по Б.В. Дерягину):

¥г = 0.2 ■ {¥п + 2.5), (4.58)

а начиная с нагрузки 625Н и далее, имеет место следующая зависимость:

/у = 0.54 ■ {¥п - 625) + 125.5. (4.59)

Молекулярная составляющая силы трения при новом режиме трения в среде пластичного смазочного материала Литол-24+10%Мо82 составила 125.5Н.

На рис.4.21а, £ для сравнения и анализа совместно приведены графики зависимости средней силы трения и коэффициентов трения от нормальной нагрузки для исследуемых смазочных материалов.

К 144

ь 108

72

36

а

/

/ > / г

А' --0% -южмовг

О 200 400 600 800 1000

Нормальная сила

0 200 400 600 800 1000 Нормальная сила (Н)

Рис.4.21. Графики зависимости силы и коэффициентов трения от нормальной нагрузки для смазочных материалов Литол-24 и Литол-

24+10%МО82

Из рис.4.21а видно, что на диапазоне нормальной силы (510; 725) исследуемая смазочная композиция Литол-24+10%МоБ2 даёт антифрикционный эффект относительно чистого Литол-24, что связано с увеличением критической нагрузки при использовании высокодисперсных частиц дисульфида молибдена.

При анализе смазочного действия смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%МоБ2 следует отметить следующее:

1. До нагрузки 510Н сила трения при использовании смазочной композиции Литол-24+10%МоБ2 больше чем при использовании Литол-24. Это можно объяснить увеличением вязкости смазочного материала при добавлении частиц дисульфида молибдена, которое не компенсируется антифрикционным действием данных частиц.

2. Согласно крупному обобщению, сделанному Б.И. Костецким, существует принципиальная схема зависимости коэффициента трения Леонардо да Винчи -Амонтона от нормального давления (см. глава 1, рис.1.6).

При сопоставлении полученных зависимостей коэффициента трения Леонардо да Винчи - Амонтона от нормальной силы на рис.4.21б с принципиальной схемой Б.И. Костецкого на рис.1.6 видно, что полученные результаты полностью соответствуют схеме. Из этого следует, что разработанное автором данной работы (см. главу 3) уравнение (3.52) аналитически описывает принципиальную зависимость коэффициента трения от нормальной силы.

В соответствии с принципиальной схемой (см. глава 1, рис.1.6) переходный участок для смазочного материала Литол-24 составляет от 0 до 50Н, а у смазочной композиции Литол-24+10%МоБ2 приблизительно от 0 до 60Н, что косвенно говорит об увеличении периода приработки при использовании частиц дисульфида молибдена. Стационарный участок и критическая нагрузка при добавлении в смазочный материал Литол-24 10% частиц дисульфида молибдена увеличиваются, что говорит об увеличении несущей способности смазочного слоя. Участок повреждаемости при добавлении в смазочный материал Литол-24 10% частиц дисульфида молибдена уменьшается, но коэффициент трения на данном участке растёт интенсивнее по сравнению со смазочным материалом без добавки, что, вероятно, говорит о резком уменьшении массовой доли частиц МоБ2 в зоне трения по мере повышения нагрузки.

На основе проведённого исследования трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами дисульфида молибдена можно сделать следующие выводы:

1. Закономерности изменения характеристик трения стали Р6М5 по стали 45 от нормальной силы в среде смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%МоБ2 имеют квази-кусочно-линейный характер для силы трения, кусочно-непрерывный характер для коэффициента трения Леонардо да Винчи - Амонтона и сигмоидальный характер для дифференциального коэффициента трения.

2. Установлена справедливость обобщённого закона Леонардо да Винчи -Амонтона - Кулона, в котором учитывается изменение условий фрикционного взаимодействия, для трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде пластичных смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%МоБ2.

3. Проверена математическая модель принципиальной зависимости коэффициента трения Леонардо да Винчи - Амонтона от нормальной силы (давления) и подтверждена для трения тел в среде смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Мо Б2.

4. При добавлении дисперсных частиц дисульфида молибдена в пластичный смазочный материал Литол-24 критическая нагрузка увеличивается на 37% и происходит увеличение стационарного участка зависимости коэффициента трения Леонардо да Винчи - Амонтона - Кулона от нагрузки, что говорит об увеличении несущей способности смазочного слоя.

5. В процессе трения частицы дисульфида молибдена не оказали существенного влияния на увеличение площади фактического контакта (выравнивание поверхности), о чём свидетельствует близкие значения равнодействующих сил молекулярного притяжения при использовании пластичных смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%МоБ2.

4.2.3. Исследование трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами

фуллереновой сажи

Одной из перспективных порошкообразных добавок для пластичных смазочных материалов является фуллереновая сажа. Её введение в пластичный смазочный материал влияет на антифрикционные свойства и несущую способность смазочного слоя [21]. Пластичные смазочные материалы с добавкой фуллереновой сажи ещё не достаточно изучены и мало используются в промышленности. В связи с этим возникает необходимость их исследований.

В качестве дисперсной добавки использовали фуллереновую сажу, полученную по методу Вольфганга Крачмера и Дональда Хаффмана [396], содержащую 8,5% фуллеренов, в основном [21]. Концентрация фуллереновой сажи в Литол-24 составляла 10% по массе. Для реализации исследования трения образцов из сталей в среде смазочного материала Литол-24 и композиции с фуллереновой сажей на его основе, в условиях скольжения по круговой траектории по схеме «ролик - ролик» была использована универсальная машина трения модели ИИ 5018.

Подвижные образцы для испытаний изготавливались из стали Р6М5 в виде цилиндров 050х10мм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности не менее Ra=1,6мкм. Неподвижные образцы для испытаний изготавливались из стали 45 в виде цилиндров 050х10мм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности также не менее Ra=1,6мкм.

Трущиеся образцы предварительно приводились в контактное взаимодействие. Смазывание трибосистемы реализовывалось равномерным нанесением слоя пластичного смазочного материала толщиной 3мм на подвижный образец. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного образцов реализовывалось с нормальной силой от 0 до 1500Н. Частота вращения подвижного образца составляла п = 1500мин-1. Время одного полного испытания при фиксированной нагрузке составляло 180с.

Графики зависимости силы и коэффициентов трения от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24, показаны на рис.4.22.

0.6

0.48

0.36

= 0.24

0.12

О

\

/ 1Л

ъ

О 300 600 900 1200 1500 Нормальная сила (Н)

Рис.4.22. Графики зависимости силы (а) и коэффициентов трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде

смазочного материала Литол-24

Представленная на рис.4.22а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

= 0.12^ + 0.3 + (034) 1п(1 + ехр(0.5(^ - 390))). (460)

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.22£):

/„=^ = 0.12+- 034

(4.61)

' 1+ехр(-0.5(%-390))'

а коэффициент трения Леонардо да Винчи - Амонтона равен:

0.3 ( 0 . 3 4 \ , , , чЛл (4 62)

/хл = 0 . 1 2 + — + 1п( 1 + е хр(0 . 5 (^ - 39 0) )). ( )

Из полученных данных видно (рис.4.22), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 390) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона -Кулона (по Б.В. Дерягину):

^ = 0 . 1 2 ■ (^ + 2 . 5 ) , (4.63)

а начиная с нагрузки 390Н и далее, реализуется интенсификация трения и имеет место следующая зависимость:

/у = 0 . 4 6 ■ (/у - 3 90) + 47. 1. (4.64)

Молекулярная составляющая силы трения при новом режиме трения в среде пластичного смазочного материала Литол-24 составила 47.1Н.

Графики зависимости силы и коэффициентов трения от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24+10%Фуллереновой сажи, показаны на рис.4.23.

180

« 144

а 108

«

72

36

и

о

а

• /

;

0 300 600 900 1200 1500 Нормальная сила (Н)

Рис.4.23. Графики зависимости силы (а) и коэффициентов трения (Ь) от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24+10%Фуллереновой сажи

Представленная на рис.4.23а зависимость средней силы трения от нормальной силы аналитически выражается следующим образом:

'0.026>

)1 п( 1 + ехр( 0 . 5 (/у- 540) ))

(4.65)

/у (/у) = 0 . 1 /у + 0 . 4 - 1 + ехр( 0 . 5 (/у - 540) ))

+ (^ 1п( 1 + ехр( 0 . 5 (/у - 1 3 3 5) )).

Соответственно дифференциальный коэффициент трения определяется из соотношения (рис.4.23£):

< = = о 1__2 6 + 0 .6 5 (4.66)

' Ъ . 1 + ехр(-°. 5 - 54°)) 1+ехр(- 0. 5 1 3 3 5)) .

а коэффициент трения Леонардо да Винчи - Амонтона равен:

I).4 /и.и ¿Ь\ , ,

/хл = 0.1 + — - (щ-) 1п(1 + ехр(0.5(/м - 540))) + 1п(1 + ехр(0ЭД - 1335))).

(4.67)

Из полученных данных видно (рис.4.23а), что на диапазоне изменения нормальной силы (0; 540) соблюдается закон Леонардо да Винчи - Амонтона -Кулона (по Б.В. Дерягину):

/у = 0.1 ■ (^ + 4), (4.68)

далее, на диапазоне изменения нормальной силы [540; 1335] соблюдается следующая зависимость:

/у = 0.074 ■ (^ - 540) + 54.4. (4.69)

а после нагрузки 1335Н и далее, имеет место зависимость:

^ = 0.724 ■ (^ - 1335) + 113.23. (4.70)

Молекулярная составляющая силы трения на втором режиме трения составила 54.4Н, а на третьем режиме - 113.23Н.

На рис.4.24а,£ совместно приведены графики зависимости средней силы трения и коэффициентов трения от нормальной нагрузки.

180

« 144

& 108

72

36

а / I

1 /

/ /

} /

--0% - 10%

и 0 300 600 900 1200 1500 Нормальная сила (Н)

Рис.4.24. Графики зависимости силы и коэффициентов трения от нормальной нагрузки для смазочных материалов Литол-24 и Литол-

24+10%Фуллереновая сажа

Из рис.4.24а видно, что почти на всём диапазоне изменения нормальной силы исследуемая смазочная композиция Литол-24+10%Фуллереновая сажа даёт

антифрикционный эффект относительно чистого Литол-24, что связано с хорошими антифрикционными свойствами исследуемой дисперсной добавки.

При анализе смазочного действия смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Фуллереновая сажа следует отметить следующее:

1. До нагрузки всего 5Н сила трения при использовании смазочной композиции Литол-24+10%Фуллереновая сажа немного больше чем при использовании Литол-24. Это можно объяснить увеличением вязкости смазочного материала при добавлении частиц фуллереновой сажи, которое не компенсируется антифрикционным действием данных частиц. После данной нагрузки увеличение вязкости компенсируется антифрикционным действием частиц фуллереновой сажи тем больше, чем больше нагрузка.

2. При сопоставлении полученных зависимостей коэффициента трения Леонардо да Винчи - Амонтона от нормальной силы на рис.4.246 с принципиальной схемой Б.И. Костецкого на рис.1.6 видно, что полученные результаты полностью соответствуют схеме. Из этого следует, что разработанное автором данной работы уравнение (3.52) аналитически описывает принципиальную зависимость коэффициента трения Б.И. Костецкого.

В соответствии с принципиальной схемой (рис.1.6) переходный участок для смазочного материала Литол-24 составляет от 0 до 50Н, а у смазочной композиции Литол-24+10%Фуллереновая сажа приблизительно от 0 до 65Н, что косвенно говорит об увеличении периода приработки при использовании частиц фуллереновой сажи. Стационарный участок и критическая нагрузка перед участком повреждаемости при добавлении в смазочный материал Литол-24 10% частиц фуллереновой сажи увеличиваются, что говорит об увеличении несущей способности смазочного слоя. Участок повреждаемости при добавлении в смазочный материал Литол-24 10% частиц фуллереновой сажи уменьшается, но коэффициент трения на данном участке растёт интенсивнее по сравнению со смазочным материалом без добавки, что, вероятно, говорит о резком уменьшении массовой доли частиц фуллереновой сажи в зоне трения по мере повышения нормальной нагрузки.

На основе проведённого исследования трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами фуллереновой сажи можно сделать следующие выводы:

1. Закономерности изменения характеристик трения стали Р6М5 по стали 45 от нормальной силы в среде пластичных смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Фуллереновая сажа имеют квази-кусочно-линейный характер для силы трения, кусочно-непрерывный характер для коэффициента трения Леонардо да Винчи - Амонтона и сигмоидальный характер для дифференциального коэффициента трения.

2. Установлена справедливость обобщённого закона Леонардо да Винчи -Амонтона - Кулона, в котором учитывается изменение условий фрикционного взаимодействия, для трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде пластичных смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Фуллереновая сажа для случая одной и двух смен режимов фрикционного взаимодействия.

3. Проверена математическая модель принципиальной зависимости коэффициента трения Леонардо да Винчи - Амонтона от нормальной силы (давления) и подтверждена для трения тел в среде смазочных материалов Литол-24 и Литол-24+10%Фуллереновая сажа для случая одной и двух смен режимов фрикционного взаимодействия.

4. При добавлении дисперсных частиц фуллереновой сажи в пластичный смазочный материал Литол-24 критическая нагрузка перед участком повреждаемости увеличивается в 3,4 раза и происходит увеличение общего стационарного участка зависимости коэффициента трения от нагрузки, что говорит о существенном увеличении несущей способности смазочного слоя.

5. В процессе трения частицы фуллереновой сажи оказали влияние на увеличение площади фактического контакта (выравнивание поверхности), о чём свидетельствует увеличение равнодействующей сил молекулярного притяжения.

4.2.4. Исследование трения скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24 с дисперсными частицами цинка и кадмия

Одними из перспективных порошкообразных добавок для пластичных смазочных материалов являются реметаллизанты. Их введение в пластичный смазочный материал влияет на антифрикционные свойства и несущую способность смазочного слоя [249]. Пластичные смазочные материалы с добавкой реметаллизантов ещё не достаточно изучены и мало используются в промышленности. С другой стороны, существуют не решённые вопросы в области фундаментальных исследований, в частности проверка справедливости закона (3.46) при трении твёрдых тел в данных средах.

В качестве основы для создания смазочной композиции с дисперсными частицами цинка и кадмия использовали пластичный смазочный материал Литол-24. В качестве дисперсных добавок использовали цинковый порошок ПР-ЦнЮ16 (размер частиц 40-100 мкм) и порошок кадмия металлического (с размером частиц 0,3... 1,6мм). Концентрация дисперсных добавок в Литол-24 составляла - 3% по массе и Сё - 2% по массе. Для реализации исследования трения образцов из сталей в среде смазочного материала Литол-24 и композиции с частицами цинка и кадмия на его основе, в условиях скольжения по круговой траектории по схеме «ролик - ролик» была использована универсальная машина трения модели ИИ 5018.

Подвижные образцы для испытаний изготавливались из стали Р6М5 в виде цилиндров 050х10мм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности не менее Яа=1,6мкм. Неподвижные образцы для испытаний изготавливались из стали 45 в виде цилиндров 050х10мм с отверстием 016мм, с чистотой контактной поверхности также не менее Ra=1,6мкм.

Трущиеся образцы предварительно приводились в контактное взаимодействие. Смазывание трибосистемы реализовывалось равномерным нанесением слоя пластичного смазочного материала толщиной 3мм на подвижный образец. Контактное взаимодействие подвижного и неподвижного

образцов реализовывалось с нормальной силой от 0 до 1500Н. Частота вращения подвижного образца составляла п = 1500мин-1. Время одного полного испытания при фиксированной нагрузке составляло 180с.

Графики зависимости силы и коэффициентов трения от нормальной силы, при трении скольжения стали Р6М5 по стали 45 в среде смазочного материала Литол-24, показаны на рис.4.25.

0.6

я

£ 0.48

ш Ь

£ 0.36

н

X

ш

Я 0.24 5

5 0.12

п О